【GAMES104】 游戏中的大地渲染

一、地形几何

最开始，也是最简单表达一个地形的方法就是高程图(Heightfield)，也就是用明暗颜色代表地形高度的图。虽然简单，但是当高程图与纹理和光影搭配的时候也有很高的表现力。

那么如何处理地形渲染的问题，最简单的方法就是在每隔一段距离做一个网格，根据高程图去移动网格顶点，但问题也很明显，当世界特别大的时候存储就成了问题。

那么接下来就是老生常谈的网格细分(Mesh Tessellation)的问题了，实际上在渲染地形的时候只需要渲染相机可以观察到的地方。这其中要保持两个原则：1、离相机越近越密集，fov越小越密集；2、要保证在简化合并的时候，采样点变少，地形高低误差不能超过一个阈值(Error Bound，这个阈值是在视空间上，理性情况下不要超过一个像素)。

将三角形做的疏密相间，最经典的方法就是基于三角形的剖分(Triangle-Based Subdivision) 。在我们的网格中连接对角线成为两个等腰直角三角形，如果密度不够就在三角形最长边做等分(如上图)。当然这样也有一个叫做 T-Junction 的问题，就是当同一条边相邻的三角形精度不同的时候，高精度的在这条边上的顶点是有起伏的，会产生露边的现象。那么解决方法就是，将低精度的三角形的精度提高到与高精度相同，使模型相连。

 然而，这种基于三角形的剖分(由于本质是个二叉树也叫 Binary Triangle-Based Subdivision)不易于储存管理，同时也不符合人的设计逻辑。如今用的更多的是四叉树的剖分方式(QuadTree-Based Subdivision)。对于四叉树的剖分所带来的 T-Junction 的问题也有了更简单的处理方式，即将高密度的部分多出的点吸附到顶点上，产生面积为0的退化三角形。

但现代的制作基本是靠GPU去绘制的，如 DX11 的Hull-Shader、Domine-Shader、Geometry-Shader和 DX1 2的 Mesh-Shader。

地形绘制当然还有其他的部分：如动态的地形绘制，比如车轮压过，接触的地形会下降，周围的部分会上升；绘制洞穴，经典的方法是在地形上搭放一个额外的东西，还有一种更好的方法就是将网格中空洞的部分设为None不去渲染。

二、地形的材质

在设计地形我们需要的材质可谓是上百种，要表现出真实感就需要多种材质的融合。最简单的融合方法是材质上进行加权叠加，但这种方法做出的效果是非常假的(左图)。进一步的改进就是根据Height去调整权重，根据对比的高度显示不同的材质(右图)。

 

 但在实际上，在远处观察纹理的时候，就会发现两个不同材质的分界线是sharp的，这里可以给高度加入一个Bias，当高度差在这个Bias之内可以直接让这两个材质混合使材质融合更平滑。

 在实际上百种材质混合上现在通常运用一个Texture Array去混合材质，也就是说在给出Array中的每一个的权重，然后再加权输出。早先的游戏确实是这么运作的，但我们发现每访问一个像素点我们都需要查询几十个材质，这样无疑的十分昂贵的。

Vritual Texture运用了mipmap的方法，我们将材质预先混合起来，然后根据不同的层级进行存储(LOD)，每个像素只存储当前位置每个层级的所有材质(physical texture)，加载的时候根据层级去直接提取出相对应的材质信息。

 三、其他问题

浮点数存储空间的固定的，如果世界坐标固定，相机跟随物体朝着一个方向不断移动，会发现由于浮点数的精度不断下降会产生剧烈的畸变。当今通常会用相机的相对位置去重新定义他们(Camera-Relativa Rendering)，随着物体的移动，将世界坐标重新归到相机坐标上，充分利用浮点数的精度。